[发明专利]一种新型稀土硬质合金理论计算与分析

说明书

本发明涉及一种新型稀土硬质合金理论计算与分析。采用基于密度泛函理论的第一性原理方法通过软件Materials Studio（MS）分析并建立WC‑Co模型，计算稀土元素掺杂四个位置的结构的能量，确定最稳定结构，并对模型进行优化。对掺杂前后的WC‑Co的弹性常数，电子特性，热力学性质进行计算。比较杨氏模量、泊松比，分析两种材料的弹性性能。通过计算两个结构的焓、熵、自由能和比热容等对两种材料的热力学性质进行分析。经过研究表明，掺杂稀土元素之后的新型硬质合金材料综合性能明显提升。

技术领域

本发明涉及一种新型的硬质合金——稀土元素Y掺杂的硬质合金WC-Co及其模型，并用第一性原理计算分析。

背景技术

硬质合金是由难熔金属的硬质化合物和粘结金属通过粉末冶金工艺制成的一种合金材料。硬质合金具有硬度高、耐磨、强度和韧性较好、耐热、耐腐蚀等一系列优良性能，被誉为“工业牙齿”，因此被广泛用作刀具材料。但是硬质合金刀具材料的耐磨性和强韧性不易兼顾，进一步优化它们的结构和改进它们的性能对于扩大它们的工业应用是必不可少的，如何解决或者缓解耐磨和韧性这一矛盾成为当今WC-Co等硬质合金生产中的一大难题。在过去十年中，由于高性能计算机的进步和精确有效的密度泛函理论(DFT)的发展，声子计算已经成为常规。随着近几年材料晶格动力学的第一性原理计算的逐渐发展，与材料性能密切相关的材料电子结构与热力学性质的研究也成为了材料研究的热点内容。添加稀土元素已被证明不管是在强化硬质合金弹性性能方面还是在热力学性能方面都非常有效，在硬质合金刀具中添加稀土元素，可显著提高硬质合金刀具的力学性能、切削性能和热性能，给硬质合金刀具的使用增加了许多方便。我们在前人的基础上，采用密度泛函理论（DFT）和第一性原理计算方法对掺杂前后的硬质合金WC-Co的弹性常数、电子结构和热力学性质进行计算分析，以研究硬质合金刀具材料的综合切削性能。

发明内容

1.本发明采用基于密度泛函理论的第一性原理方法通过软件Materials Studio（MS）分析并建立掺杂稀土元素前后的WC-Co的模型：

（1）、通过前人的研究并加以分析，建立出硬质合金WC-Co模型。以此模型为基础，根据能量越小，结构越稳定的原则，得出稀土元素的最稳定掺杂位置，即WC-Co/Y模型；

（2）、两种结构均为单斜晶系，通过计算得出WC-Co的体积模量B_H=323.26616，剪切模量G_H=139.05697，杨氏模量E=341.69596和泊松比=0.32383。掺杂Y元素之后，WC-Co/Y的体积模量B_H=293.54963，剪切模量G_H=155.28590，杨氏模量E=396.02595和泊松比=0.27515；

（3）、两种结构的电子特性如图3所示，在费米能级处都大于0，即没有能隙；

（4）、声子谱无虚频，两种结构都是稳定的，并且他们的热力学性质如图7-10所示。

2.一种新型硬质合金计算分析方法，其特征在于使用软件Materials Studio（MS）中的CASTEP模块对WC-Co和掺杂Y元素的WC-Co模型进行第一性原理计算，计算时选用广义梯度近似GGA中的（PBE）势函对模型中的电子与电子间的互换关联能进行处理，通过自洽迭代法SCF对总能进行收敛性计算，平面波截断能 设置为500eV，K点取值为。

与硬质合金WC-Co相比，新型硬质合金WC-Co/Y的优势如下：

（1）、两种结构皆为机械稳定结构。掺杂了稀土元素之后的材料既保证了材料的塑性，又使合金材料拥有更大的刚度和硬度，实现了硬质合金刚度和硬度与韧性的均衡，即提高了硬质合金的耐磨性和寿命；

（2）、通过对电子特性与声子谱和声子PDOS的分析可以看出WC-Co/Y有更强的金属性。声子谱无虚频，可以确定掺杂前后两种结构均是稳定结构，但是掺杂后的稳定性高于掺杂前，并且表明我们计算的热力学性质的可靠性；